地下管道掘進機糾偏液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

陳延偉，徐中尉， 張 強， 史遠鵬，張 浩，劉萬熙

(長春工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

0 引言

非開挖鋪設(shè)地下管線施工技術(shù)(簡稱非開挖鋪管技術(shù))是國外20世紀70年代后期發(fā)展起來的一項管道施工新技術(shù)[1]，它是在地表不挖槽和地層結(jié)構(gòu)破壞極小的情況下對天然氣、煤氣、供水、污水、通信電纜公司等公用管線進行鋪設(shè)的技術(shù)。與傳統(tǒng)的方法比較，非開挖鋪設(shè)具有保護環(huán)境、低噪聲、不影響交通、施工周期短等優(yōu)點[2]。 小口徑地下管道掘進機是一種用于鋪設(shè)地下管線的掘進裝置，在掘進過程中，掘進機的糾偏設(shè)計尤為重要[3]。 武漢理工大學(xué)鄒永向等以帶鋼液壓糾偏系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立液壓伺服系統(tǒng)，使用模糊PID優(yōu)化了糾偏液壓系統(tǒng)[4]。大連理工大學(xué)劉宣宇、邵誠等采用運動過程中監(jiān)測運動軌跡的方法，進而判定盾構(gòu)機的姿態(tài)位置狀態(tài)，控制糾偏油缸伸縮，進行運動糾偏[5]。安徽理工大學(xué)謝賽男對糾偏油缸布置方式以及糾偏液壓系統(tǒng)進行設(shè)計，建立了糾偏液壓系統(tǒng)模型[6]。本文基于以上理論研究，針對小口徑地下管道掘進機，設(shè)計了一種適用于小口徑地下管道掘進機內(nèi)部糾偏的糾偏系統(tǒng)，該糾偏系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)速度快、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點。

1 糾偏油缸布置方式設(shè)計

本文設(shè)計一種基于糾偏油缸伸縮裝置的糾偏系統(tǒng)，該糾偏系統(tǒng)在地下管道掘進機整體結(jié)構(gòu)中的布置方式如圖1所示。本文設(shè)計的糾偏系統(tǒng)由4組糾偏油缸組成，4組糾偏油缸沿圓周方向采用“十字”型方式布置，如圖2所示。糾偏油缸一端通過鉸接油缸支座與地下管道掘進機刀盤切削系統(tǒng)鉸接，另一端通過鉸接支座與地下管道掘進機機尾鉸接，接觸位置處通過密封環(huán)密封，防止糾偏過程中由于地下管道掘進機刀盤切削系統(tǒng)、糾偏系統(tǒng)與掘進機機尾相對偏轉(zhuǎn)一定角度時發(fā)生泥土、沙礫滲入等不利情況，影響工作進程。

1-刀盤切削系統(tǒng)；2-鉸接油缸支座；3-糾偏油缸；4-密封環(huán)；5-掘進機機尾

圖2 糾偏油缸布置示意圖

2 掘進機糾偏系統(tǒng)運動仿真分析

2.1 糾偏過程力學(xué)模型

本文是以掘進機“低頭”現(xiàn)象為研究基礎(chǔ)，得到糾偏過程中糾偏油缸伸出長度與糾偏角度的關(guān)系，如圖3所示 。圖3中，d/2為糾偏油缸所在圓周半徑，l為糾偏油缸伸長位移，α為糾偏角度，它們的關(guān)系為[7]：

(1)

圖4為掘進機糾偏過程中刀盤切削系統(tǒng)受力分析。由圖4可知，刀盤切削系統(tǒng)受到推進系統(tǒng)總頂力F(kN)、反向糾偏油缸拉力Fa(kN)、垂直土壓力FN(kN)、摩擦力Ff(kN)、迎面阻力Fb(kN)。根據(jù)牛頓第二定律,則可得到力平衡方程：

(2)

其中：M為小口徑掘進機刀盤切削系統(tǒng)質(zhì)量，kg。

根據(jù)土力學(xué)理論中重力應(yīng)力計算公式可以得到迎面阻力為[8]：

(3)

(4)

其中：γs為土體重度；H為覆土高度；η為刀盤開口率；Ka為主動土壓力系數(shù)；D為掘進機直徑；φ為土體內(nèi)摩擦角。

根據(jù)全覆土理論得到垂直土壓力為：

FN=γsHDL.

(5)

其中：L為刀盤切削系統(tǒng)長度。

圖3 糾偏油缸伸出長度與糾偏角度關(guān)系

圖4 刀盤切削系統(tǒng)受力分析

小口徑掘進機所受土摩擦力為：

Ff=μFN.

(6)

其中：μ為摩擦因數(shù)。

將式(3)～式(6)代入式(2)得：

(7)

式(7)經(jīng)拉普拉斯變化得：

(8)

表1為掘進機相關(guān)參數(shù)，將表1數(shù)值代入式(8)得：

(9)

2.2 糾偏系統(tǒng)PID控制器設(shè)計與仿真

圖5為PID控制原理框圖。其中,r(t)為系統(tǒng)給定輸入量,e(t)為給定輸入與實際輸出的差值,u(t)為控制器輸出,y(t)為實際輸出量。比例參數(shù)Kp、積分參數(shù)Ki、微分參數(shù)Kd是PID控制中最重要的三個參數(shù)。PID控制方程為：

(10)

圖5 PID控制原理框圖

利用MATLAB/Simulink模塊搭建的糾偏系統(tǒng)PID控制模型如圖6所示。

圖6 PID控制模型

采用Ziegler-Nichols方法對PID三個參數(shù)進行整定，得到的PID三個參數(shù)分別為Kp=2、Ki=0.5、Kd=0.3。設(shè)置輸入糾偏角度為3°，糾偏油缸伸出位移為6.6 mm，仿真時間為10 s，得到的PID控制仿真結(jié)果如圖7所示。 由圖7可知：在時間約3 s時，糾偏油缸位移達到最大值7.6 mm，PID控制的最大超調(diào)量為1 mm，在約7 s時，位移穩(wěn)定在6.6 mm。

圖7 PID控制仿真結(jié)果

3 糾偏液壓驅(qū)動系統(tǒng)建模與仿真

3.1 糾偏液壓驅(qū)動系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)實際工況，利用AMESim軟件建立地下管道掘進機糾偏驅(qū)動系統(tǒng)等效模型，如圖8所示。本文采用AMESim軟件中的3D mechanical模塊建模，模擬負載角度變化，在parameter mode參數(shù)模式下設(shè)置元件參數(shù)，在simulation mode模式下編譯仿真[9]。

3.2 糾偏液壓驅(qū)動系統(tǒng)的仿真

3D機械庫建立模型的優(yōu)點在于可視化，可以直接觀察到糾偏油缸的運動過程。對糾偏液壓驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型進行PID參數(shù)設(shè)置，設(shè)置參數(shù)為Kp=2、Ki=0.5、Kd=0.3?？刂扑郊m偏油缸1和3分別伸長和收縮，俯仰糾偏油缸2和4保持不動，分別采集仿真過程中第0 s、5 s、10 s時四組糾偏油缸伸縮狀態(tài)，如圖9所示；控制俯仰糾偏油缸2和4分別伸長和收縮，水平糾偏油缸1和3保持不動，分別采集仿真過程中第12 s、17 s、22 s時四組糾偏油缸伸縮狀態(tài)，如圖10所示。

由圖9、圖10可知：當糾偏油缸1和糾偏油缸3具有不同伸縮狀態(tài)時，可以實現(xiàn)地下管道掘進機前端與水平方向的角度調(diào)節(jié)，使之回歸到預(yù)設(shè)掘進方向，實現(xiàn)水平糾偏；同理，當糾偏油缸2和4具有不同伸縮狀態(tài)時，能夠?qū)崿F(xiàn)地下管道掘進機前端與豎直方向的角度調(diào)節(jié)，使之回歸到預(yù)設(shè)掘進方向，實現(xiàn)豎直方向糾偏。

圖8 糾偏液壓驅(qū)動系統(tǒng)的AMESim模型

圖 9 水平糾偏油缸仿真過程

圖10 俯仰糾偏油缸仿真過程

3.3 糾偏油缸的仿真分析

設(shè)定糾偏角度為3°，糾偏油缸位移伸長量為6.6 mm，仿真得到的糾偏油缸活塞桿位移曲線如圖11所示。由圖11可知：糾偏油缸的初始位移為50 mm，水平糾偏油缸1和3的活塞運動的最大位移為56.6 mm、最小位移為43.4 mm，運動時間約為10 s時，兩組糾偏油缸運動的相對位移能夠滿足實際要求；俯仰糾偏油缸2和4在1、3穩(wěn)定后約3 s后開始運動，俯仰糾偏油缸位移曲線在約20 s達到穩(wěn)定，最終實現(xiàn)調(diào)節(jié)負載角度變化。

圖11 糾偏油缸活塞桿位移曲線

4 結(jié)論

(1) 建立了糾偏系統(tǒng)模型，該模型適用于小口徑地下管道掘進機的糾偏系統(tǒng)。

(2) 建立了掘進機在糾偏過程中的力學(xué)模型，通過傳遞函數(shù)獲得糾偏油缸位移與糾偏角度的關(guān)系，應(yīng)用MATLAB/Simulink搭建了PID控制系統(tǒng)，獲得了糾偏油缸運動位移與時間的關(guān)系，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

(3) 在AMESim軟件中對糾偏液壓驅(qū)動系統(tǒng)進行建模，并對糾偏液壓驅(qū)動系統(tǒng)進行了仿真分析，糾偏液壓系統(tǒng)在短時間內(nèi)達到了穩(wěn)定的輸出，縮短了糾偏時間，提高了工作效率。

本文研究為下一步掘進機糾偏液壓驅(qū)動系統(tǒng)與掘進機糾偏運動力學(xué)模型的結(jié)合奠定了一定的研究基礎(chǔ)。